Một hình ảnh hiện đại về trận chiến từ Khải hoàn môn Constantinus tại Roma. Trên phù điêu là cảnh kỵ binh của Constantinus đang truy kích quân đội của Maxentius tới tận sông Tiber.

Constantinus tới Roma vào cuối tháng 10 năm 312 bằng con đường Via Flaminia. Ông cho quân đội hạ trại ở Malborghetto gần Prima Porta, tại đây vẫn còn đài tưởng niệm của Constantinus cho xây dựng để vinh danh sự kiện này.

Maxentius dự định ở lại Roma và chấp nhận một cuộc bao vây, như ông đã thành công trong những cuộc xâm lược của Severus và Galerius trước kia. Ông ra lệnh chuẩn bị một lượng lớn thực phẩm dự trữ cho thành phố. Thật kỳ lạ, cuối cùng Maxentius lại quyết định tấn công Constantinus trong một trận chiến thực sự. Nhiều tài liệu cho rằng quyết định này của Maxentius là do sự can thiệp của Thiên Chúa (theo lời các sử gia Kitô giáo như Eusebius và Lactantius) hoặc là vì Maxentius quá mê tín (theo Zosimus). Lưu ý rằng ngày diễn ra trận chiến trùng với ngày đăng quang của Maxentius (28 tháng 10), ngày mà Maxentius cho là một điềm tốt. Lactantius cũng cho rằng dân chúng tôn vinh Constantinus bằng những lời tung hô trong các trò chơi ở đấu trường, mặc dù mức độ tin cậy của những bản ghi chép này không được rõ ràng cho lắm.[12]

Trận cầu Milvius (1520–24), họa phẩm của Giulio Romano,, Điện Tông Tòa, Vatican.

Maxentius chọn cầu Milvius, một cây cầu đá từ con đường Via Flaminia bắc qua sông Tiber dẫn vào Roma làm nơi diễn ra trận chiến. Việc phòng thủ cây cầu này trở nên quan trọng hơn bao giờ hết đối với Maxentius nếu muốn đẩy lui kẻ thù khỏi Roma. Trong khi đó Viện nguyên lão La Mã tuyên bố sẽ ủng hộ bất kỳ ai nắm giữ thành phố. Dường như Maxentius đã phá hủy một phần cây cầu trong thời gian ông chuẩn bị chờ quân Constantinus đến vây hãm, thay vào đó là một cây cầu gỗ hoặc cầu phao được xây dựng. Nhiều tài liệu cũng đưa ra những ý kiến khác nhau về mục đích của cây cầu Maxentius cho xây dựng. Sử gia Zosimus đề cập nó một cách mơ hồ, ông cho rằng đó là một cây cầu gỗ trong khi các nguồn khác chỉ ra đó là một cầu phao. Không rõ là liệu cây cầu có được xây dựng để bẫy quân đội của Constantinus hay không.[13]

Ngày hôm sau, hai đội quân chạm trán, kết quả Constantinus đã giành một chiến thắng quyết định. Những bố trí của Maxentius dường như đã bị lỗi khi quân đội của ông dàn trận quá sát sông Tiber, ngay ở phía sau họ, cho họ một chút không gian để hợp lại trong trường hợp đội hình họ bị buộc phải tản ra.[14] Vốn là một vị tướng tài giỏi, Constantinus cho kỵ binh của mình xuyên thủng kỵ binh của Maxentius, sau đó cho bộ binh dâng cao đội hình.[15] Quân lính của Maxentius dù chiến đấu tốt nhưng bắt đầu bị đẩy lùi về phía sông Tiber. Bản thân Maxentius định chạy thoát khỏi chiến trường về Roma, nhưng không còn đường nào khác ngoài cây cầu. Quân Constantinus tiếp tục truy kích quân Maxentius đang tháo chạy.[16] Cuối cùng, cây cầu sụp đổ, nhiều quân lính của Maxentius kẹt lại ở bờ bắc sông Tiber bị giết hoặc bị bắt làm tù binh, chỉ còn đội cận vệ vẫn còn ngoan cường kháng địch.[17] Maxentius có thể đã bị chết đuối trong lúc đang cố gắng bơi qua sông trong tuyệt vọng hoặc bị con ngựa của mình hất xuống dòng sông.[18] Lactantius mô tả cái chết của Maxentius: "...khi cây cầu phía đằng sau hắn đã sụp đổ, cuộc chiến trở nên căng thẳng hơn bao giờ hết. Bàn tay của Chúa chiếm ưu thế và quân đội của Maxentius thất bại thảm hại...Maxentius chạy trốn về phía cây cầu gãy, nhưng đám đông giẫm đạp lên hắn, hắn đâm đầu xuống sông Tiber."[18]